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      混凝土壩裂縫防治措施

      2011-09-07 06:36:06
      水利科學(xué)與寒區(qū)工程 2011年10期
      關(guān)鍵詞:拱壩齡期溫差

      □ 李 祝

      混凝土壩裂縫防治措施

      □ 李 祝

      碾壓混凝土筑壩是最近20年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。在問世之初,由于碾壓混凝土水泥用量大大減少,人們曾一度認(rèn)為碾壓混凝土不存在溫控制問題,后來經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土雖具有水泥用量少、絕熱溫升較低的優(yōu)點(diǎn),但因大量摻用粉煤灰,水化熱散發(fā)推遲,而碾壓混凝土上升速度快,因而使施工過程中層面散熱不夠。另外,碾壓混凝土的徐變較小,極限拉伸變形也略低,故抗裂能力較低。因此,碾壓混凝土同樣存在溫控問題,也較容易出現(xiàn)裂縫。就此,我們著重介紹混凝土壩體裂縫的防治措施。

      一 、材料方面

      與常態(tài)混凝土比較,碾壓混凝土的徐變和極限拉伸變形較小,因此抗裂能力較低。所以,只有提高碾壓混凝土這兩方面的能力,才能提高其抗裂能力。

      (一)徐變。

      混凝土的徐變受灰漿率、混凝土配合比、加荷齡期、水泥性質(zhì)、持荷應(yīng)力、持荷時(shí)間、骨料的彈性比與級配、結(jié)構(gòu)尺寸等多種因素的影響。一般灰漿比越大徐變越大;水膠比越大徐變越大;加荷齡期越早,徐變越大;持荷時(shí)間越長徐變越大;骨料石材的彈強(qiáng)比越小徐變越大。

      (二)極限拉伸變形。

      極限拉伸值是衡量混凝土抗裂性的重要指標(biāo)之一。與常態(tài)混凝土一樣,受膠凝材料用量、混凝土抗拉強(qiáng)度、混凝土的彈性模量及齡期等影響。干貧碾壓混凝土28d齡期的極限拉伸值約為40~70με,90d齡期增長不大,高粉煤灰碾壓混凝土90d齡期的極限拉伸值約60~90με。如果采用變形較大和界面效應(yīng)較好的骨料和脆性系數(shù)較小的水泥等,可使碾壓混凝土的極限拉伸值大幅度提高。

      二 、選擇合適的澆注溫度

      必須根據(jù)各工程的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)一個(gè)比較合適的入倉溫度,以達(dá)到如下目的:一是控制壩內(nèi)溫差,從而降低基礎(chǔ)約束形成的溫度應(yīng)力,以避免壩體出現(xiàn)深層或貫穿裂縫。二是控制壩體表層的溫度梯度,減輕壩體內(nèi)部約束,從而防止產(chǎn)生表層裂縫。其最終目的就是控制三個(gè)指標(biāo)。一是基礎(chǔ)溫差;二是上下層溫差;三是內(nèi)外溫差。

      (一)基礎(chǔ)溫差

      基礎(chǔ)溫差是指壩塊基礎(chǔ)部位的最高溫度與相應(yīng)區(qū)域穩(wěn)定溫度之差,即

      式中 ΔT--基礎(chǔ)溫差;

      Tp--混凝土澆注溫度;

      Tr--混凝土的水化熱溫升;

      Tf--壩塊的穩(wěn)定溫度

      碾壓混凝土大壩由于不設(shè)縱縫,其底寬較大,基礎(chǔ)約束的范圍也較高,在壩體內(nèi)的穩(wěn)定溫度場的溫度相差也較大,因此溫差無論在水平方向還是鉛直方向都是非均勻分布的,分均勻分布的溫差所應(yīng)起的應(yīng)力與澆筑塊的高寬比、混凝土與基巖或新老混凝土的彈性模量比、壩區(qū)氣候以及混凝土的彈性模量、熱脹系數(shù)有關(guān)。其中壩塊的高寬比越小,溫度應(yīng)力越大。

      (二)上下層溫差

      上下層溫差是指在長間歇老混凝土壩塊上澆筑新混凝土?xí)r,限制新老混凝土之間的溫差。目的是防止上部新澆混凝土溫度過高,降溫時(shí)受老混凝土約束而產(chǎn)生裂縫。其原因是:①長間歇老混凝土的水化作用已基本結(jié)束,內(nèi)部溫度直接受氣溫影響作周期性變化,接近甚至低于年平均氣溫;②老混凝土齡期長,彈性模量高,甚至超過基巖,對新澆混凝土降溫產(chǎn)生較大的約束。

      《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:“上下層溫差系指在老混凝土面(齡期超過20d)上下各L/4范圍內(nèi),老混凝土上層最高平均溫度與新澆混凝土開始澆筑時(shí)下層實(shí)際平均溫度之差。當(dāng)上層混凝土短間歇均勻上升的澆筑高度h大于0.5L時(shí),上下層允許溫差約為15~20℃,澆筑塊側(cè)面長期暴露時(shí),宜用較小值。嚴(yán)寒地區(qū)上下層溫差標(biāo)準(zhǔn)可另行研究?!北疽?guī)范只是制定了上下層溫差的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)際工程中,上下層溫差往往轉(zhuǎn)換為控制新澆混凝土最高溫度。

      (三)內(nèi)外溫差

      溫度應(yīng)力是由溫度場的變化引起的,當(dāng)一個(gè)壩塊澆筑后,由于水化熱的變化及外界氣溫的影響,內(nèi)部溫度即不斷變化,相對于初溫,溫度場的變化可分為均勻和非線性降溫兩部分,根據(jù)疊加原理可分別考慮。但對不存在外部約束的部位,均勻降溫不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力或可略去不計(jì)。

      降溫的非線性分布,在壩體內(nèi)將引起應(yīng)力,需要加以分析和限制。它所引起的應(yīng)力的大小與非線性降溫的幅度及梯度有關(guān),而兩者均可由壩塊內(nèi)外兩點(diǎn)的降溫之差來表示。但在初溫均勻分布的條件下,內(nèi)外兩點(diǎn)的降溫之差即等于內(nèi)外兩點(diǎn)的溫差(及內(nèi)外溫差),在實(shí)際工程中,壩塊的內(nèi)外溫差可認(rèn)為是中心點(diǎn)和邊界點(diǎn)溫度之差。因此,壩塊的內(nèi)外溫差問題,實(shí)質(zhì)上是反映壩塊降溫的非線性分布,造成內(nèi)部約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力問題。

      氣溫年變化及氣溫驟降都在壩塊內(nèi)形成內(nèi)外溫差。實(shí)際工程中,內(nèi)外溫差的控制理解為針對壩塊受氣溫年變化而言,不包括氣溫驟降的影響。

      三 、設(shè)置誘導(dǎo)縫

      誘導(dǎo)縫是碾壓混凝土大壩的一種溫控防裂措施,在很多大型水利工程中都采取了這種方法,但是在很多碾壓混凝土重力壩中,采取的是RCD施工工藝,而碾壓混凝土拱壩采取的是RCC施工工藝,它們所采取的誘導(dǎo)縫具有不同的特征。

      (一)重力壩中的誘導(dǎo)縫

      根據(jù)大壩仿真分析以及經(jīng)驗(yàn)顯示,在擋水壩段越冬停澆面上下游部位常因拉應(yīng)力較大而開裂,如果采取控制混凝土的澆筑溫度以及采取對混凝土進(jìn)行保溫的方法,也很難從根本上解決擋水壩段越冬停澆面上下游部位的不規(guī)則裂縫。因此采取誘導(dǎo)縫是一種簡單實(shí)用的方法??煽紤]在擋水壩段上游的停澆面附近設(shè)置1米深的水平預(yù)留縫,內(nèi)設(shè)兩道水平止水,縫端設(shè)開口PVC管以及限裂鋼筋,下游在停澆面附近設(shè)置3米深的水平預(yù)留縫,壩內(nèi)縫端設(shè)開口PVC管。

      (二)拱壩中的誘導(dǎo)縫

      碾壓混凝土拱壩由于斷面較小,混凝土的升程相對較快,大量的水化熱無法在短時(shí)間內(nèi)散發(fā)掉,而且碾壓混凝土拱壩很少設(shè)橫縫,即使設(shè)橫縫,橫縫的間距也是很大,否則便不能發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點(diǎn)。另外在整體式碾壓混凝土拱壩中,壩體的弧長與其厚度的比值均較大,是一長條形的結(jié)構(gòu),從溫控角度來說,是較為不利的。由于溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力和碾壓混凝土干縮等很容易導(dǎo)致混凝土沿壩體最薄弱部位沿橫向產(chǎn)生裂縫,而解決這個(gè)問題的最簡單易行的辦法就是設(shè)置誘導(dǎo)縫。

      (三)碾壓混凝土拱壩中誘導(dǎo)縫的位置

      誘導(dǎo)縫是靠其自身對其所受拉應(yīng)力的放大來優(yōu)先使壩體在誘導(dǎo)縫處形成縫的。首先誘導(dǎo)縫必須布置在拉應(yīng)力相對較大的部位;其次該處的拉應(yīng)力乘上其應(yīng)力放大倍數(shù),應(yīng)大于其相鄰分塊內(nèi)任何拉應(yīng)力值。計(jì)算結(jié)果表明,誘導(dǎo)縫一般應(yīng)設(shè)在拱端和拱冠附近拉應(yīng)力較大的斷面,使其在壩體應(yīng)力增大時(shí),首先張開,可充分發(fā)揮預(yù)期的作用。但當(dāng)誘導(dǎo)縫未開裂時(shí),由于其力學(xué)參數(shù)降低,相反增大了該部位的最大應(yīng)力。另外由于碾壓混凝土拱壩溫降歷時(shí)長,在運(yùn)行期其縫也有可能張開,因此拱壩壩中誘導(dǎo)縫不宜布置在拱端及拱冠拉剪壓應(yīng)力最大的部位,否則會(huì)破壞其約束條件導(dǎo)致拱壩應(yīng)力條件惡化。

      四、 提高碾壓混凝土本體密實(shí)性

      碾壓混凝土是利用碾壓機(jī)械的強(qiáng)力振動(dòng)和碾壓的共同作用,對超干硬性混凝土進(jìn)行壓實(shí)的一種混凝土施工方法。只有保證碾壓混凝土的密實(shí),才能保證其抗拉、抗剪等與碾壓混凝土抗裂有關(guān)的性能。碾壓混凝土本體的密實(shí)性主要與混凝土的配比、VC值、混凝土的鋪料厚度以及碾壓遍數(shù)有關(guān)。

      (一)碾壓混凝土本體密實(shí)性與配合比的關(guān)系

      碾壓混凝土中膠凝含量越高,混凝土的和易性以及可碾性越好。但從溫控角度來看,膠凝材料以粉煤灰的摻量高為宜,另外骨料的石粉含量宜控制在11~22%,其最佳含量應(yīng)通過各工程的實(shí)際試驗(yàn)得出。

      (二)碾壓混凝土本體密實(shí)性與VC值的關(guān)系

      碾壓混凝土施工中要求混凝土的VC值與所用振動(dòng)碾的振動(dòng)能量相適應(yīng)。太大,振動(dòng)碾能量不足以使混凝土液化,達(dá)不到完全壓實(shí)的目的;太小,振動(dòng)碾將下沉,無法工作。

      (三)碾壓混凝土本體密實(shí)性與鋪料厚度以及碾壓遍數(shù)的關(guān)系

      其選擇主要是根據(jù)各施工工地的碾壓機(jī)具以及施工倉面來決定,如果碾壓設(shè)備擊實(shí)功率大,施工場地比較狹小,一般可采取50cm的碾壓厚度,如果碾壓設(shè)備擊實(shí)功率大,但是施工開闊,采取30cm的碾壓厚度就更經(jīng)濟(jì)合理一些。

      五 、減少層面暴露時(shí)間

      為了保證RCC壩施工層面結(jié)合質(zhì)量,應(yīng)使層面暴露時(shí)間小于初凝時(shí)間。RCC采用高效緩凝劑后在現(xiàn)場條件下,初凝時(shí)間一般會(huì)略有延遲,在施工中除了加大強(qiáng)度和減小倉面外,也可以采用RCC斜層澆筑,以較少暴露時(shí)間。

      綜上所述,在對水庫日常管理過程中,除了注重對混凝土壩的日常巡視與維護(hù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題外,還應(yīng)結(jié)合各項(xiàng)工程措施,確保水利工程安全,充分發(fā)揮水利工程的作用。

      哈爾濱市水務(wù)局江北水城調(diào)度中心150010 )

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